os transistores MOS (Metal Oxido Semiconductor) o MOSFET o transistores de puerta aislada fueron la evolución lógica de los transistores JFET.

Transcripción

1 Capítulo 7 Transistores MO L os transistores MO (Metal Oxido emiconductor) o MOFET o transistores de puerta aislada fueron la evolución lógica de los transistores JFET. ependiendo del tipo de canal con el que se realicen y de la forma de fabricarles recibieron diferentes nomenclaturas, a saber: NMO y PMO para transistores MO de canal N y canal P respectivamente; o bien VMO para los transistores MO de potencia de estructura vertical. Existe una conexión particular de transistores NMO y PMO conocida como inversor CMO (Complementary MO). Actualmente existen otros transistores derivados de los FET s para aplicaciones de alta velocidad, los MEFET (MEtal emiconductor) o los transistores de Arseniuro de alio (AFET). Otra evolución de los transistores MO es la BiCMO. En ella se pretende combinar en un mismo cristal de ilicio transistores bipolares de alta velocidad con transistores CMO. Los transistores CMO se colocan al principio, para mejorar la impedancia de entrada y la velocidad de conmutación, mientras que, colocando a la salida los transistores bipolares podremos manejar cargas con capacidades mayores que si se colocasen CMO. Contenido 7.1 Reseña histórica 7. Conceptos básicos 7.3 El MO de Acumulación. Constitución y funcionamiento 7.4 iseño físico de circuitos MO 7.5 Polarización de los MO de acumulación 7.6 El MO de eplexión. Constitución y funcionamiento 7.7 Polarización de los MO de deplexión 7.8 Ejercicios tipo 7.9 Problemas propuestos 7.10 Bibliografía

2 130 Electrónica analógica: Análisis y diseño 7.1 Reseña histórica A finales de 1959 awon (avid) Kahng y Mohammed (John) Atalla inventaron en los Laboratorios Bell el transistor MO, una nueva implementación del FET en forma planar. A finales del 61, trabajando en Fairchild, el físico chino Chih-Tang ah (conocido como Tom ) realizó los primeros trabajos sobre el MOFET. En 196, teven R. Hofstein y Frederic P. Heiman en los laboratorios de investigación de RCA en Princeton, New Jersey, incluyeron el MOFET en un circuito integrado. Este circuito integrado poseía 16 transistores NMO. Actualmente Hofstein es presidente de ATI ystems. Foto del primer transistor MO fabricado por. Khang, Mark M. Atalla, y E. Labate a finales de Observaron que al aplicar una tensión pequeña a un metal que estaba encima de una capa de óxido que se había depositado sobre ilicio, se generaba una capa de inversión entre el óxido y el ilicio. Habían descubierto la Inducción de campo en la superficie de dispositivos ilicio- ióxido de ilicio. Carver A. Mead (1934- ). Entre 1956 y 1960 se graduó y doctoró en Ingeniería eléctrica en el Instituto de Tecnología de California. En 1960 cambió la opinión sobre la imposibilidad de fabricar transistores de menos de 10micras. En 1969 ideó el concepto para los circuitos VLI (Veri Large cale Integrated) y probó que los transistores podrían llegar a ser de 0.15micras. esde 1999 es presidente y fundador de Foveon, desarrolladora de sensores de imagen para cámaras digitales de alta resolución. Fue el inventor del MEFET (MEtal emiconductor Field Effect Transistor). 7. Conceptos básicos Tras la invención del JFET varios investigadores dedicaron su tiempo a mejorar las características de estos dispositivos. olucionaron algunos inconvenientes de los JFET como la alta densidad de integración, la estabilidad con la temperatura o el consumo de corriente de puerta y por consiguiente la impedancia de entrada. in embargo, no obtuvieron tan buenos resultados con la sensibilidad con la electricidad estática y las sobretensiones o la pobre linealidad de funcionamiento. e estos estudios y su evolución, surgieron dos modelos de transistores MO, los de enriquecimiento (Acumulación) y los de empobrecimiento (eplexión), ambos existentes en canal N y canal P. Por diferentes motivos han triunfado los primeros en la industria electrónica.

3 Capítulo 7: Transistores MO El MO de Acumulación. Constitución y funcionamiento El transistor MO debe su nombre a la disposición de los elementos que lo componen. Los contactos con el exterior se realizan mediante la vaporización de Aluminio (Metal). Éstos contactos están unidos a un único tipo de material semiconductor N o P (emiconductor), que forman los contactos de renador y Fuente, que a su vez se encuentran inmersos en un material que hace de substrato del conjunto, de material contrario al semiconductor utilizado en los terminales. Por último, los elementos citados se encuentran separados por una fina capa de dióxido de ilicio (Aislante). El conjunto así formado (Metal-Oxido-emiconductor) se le denomina transistor MO de efecto de campo o MOFET. Figura 7.1. Metal Contactos metálicos io P - N + N + Metal Óxido + emiconductor ubstrato (a) (b) Figura 7.1: Estructura de fabricación del transistor MO de acumulación ependiendo de los materiales utilizados podemos conseguir dos tipos de transistores MO, los canal N y los canal P. Como indica la figura 7.1, entre los terminales de renador y Fuente, así como en la figura 7.a, (MO de Acumulación) no existe canal entre drenador y fuente, como sucedía en los transistores JFET. Por el contrario, existe otro tipo de construcción de transistores MO que sí disponen de canal entre estos terminales, éstos son los MO eplexión. Así pues, podemos obtener una clasificación de los transistores MO como se muestra a continuación. Canal N (NMO) Canal P (PMO) Tipo Enriquecimiento Acumulación Tipo eplexión Empobrecimiento Tipo Enriquecimiento Acumulación Tipo eplexión Empobrecimiento (a) (b) Figura 7.: Clasificación y simbología de los transistores MO En la mayoría de los circuitos prácticos, los transistores NMO se utilizan con mayor asiduidad que los canal P, algunas de las razones se muestran en la tabla adjunta.

4 13 Electrónica analógica: Análisis y diseño NMO PMO Área 1 3 Movilidad 660cm /Vs 10cm /Vs Resistencia 1.5 Corriente Tabla 7.1: Comparativa de los NMO y PMO Principios de operación i comenzamos a aplicar una tensión pequeña al terminal de puerta (ate) del MO, se comienza a producir una acumulación de cargas entre los terminales de renador (rain) y Fuente (ource). i continuamos aumentando paulatinamente esta tensión, los electrones minoritarios del substrato se comenzarán a acumular junto al aislante (io ). Esta acumulación, debido a la diferencia de potencial aplicada, se estratificará en zonas o capas con diferente concentración de electrones N N + V 1 P - ubstrato N N + V > V 1 P - ubstrato a) b) Figura 7.3: Comienzo de creación del canal en un NMO de acumulación Llegará un valor de tensión a la cual, la acumulación de electrones sea tal que forme un canal de conducción entre los terminales de renador y Fuente, que hasta ahora no existía. A esta acumulación o capa de portadores minoritarios se la denomina capa de inversión. P N N + V 3 = V TH > V ubstrato + Figura 7.4: Creación de la capa de inversión al alcanzar la tensión umbral Consideraremos formada la capa de inversión cuando la concentración de electrones en el canal artificialmente creado es igual a la concentración de huecos del substrato. La tensión a la que esto ocurre se la denomina threshold voltage o tensión umbral (V TH ).

5 Capítulo 7: Transistores MO 133 Una vez que hemos creado este canal de conducción entre renador-fuente y, siempre que mantengamos la tensión superior a esta V TH, el dispositivo puede funcionar como transistor, regulando y/o controlando la corriente que circule entre sus terminales N N + P - V 4 > V TH ubstrato Figura 7.5: La capa de inversión hace de canal de conducción En estas condiciones, si aplicamos una tensión pequeña (V << V ) entre los terminales de renador y Fuente prácticamente no circula corriente entre sus terminales y el canal es uniforme. V 0 I N N + P - V ubstrato Figura 7.6: in aplicación de tensión V no hay circulación de corriente por el canal V =V 1 > 0 I N N + P - V ubstrato Figura 7.7: El canal de conducción se contrae con V > 0. Al continuar aumentando la tensión aplicada al circuito, el canal se deforma, disminuyendo su área. Este caso es similar al comportamiento de un JFET. Es decir, tenemos un canal creado y con la aplicación de tensión se contrae el canal y tenderá a anularse.

6 134 Electrónica analógica: Análisis y diseño Este canal disminuye proporcionalmente a la tensión aplicada, hasta un punto tal en el que el canal se contrae totalmente. A este valor de tensión se le denomina pinch off o V PO o de estrangulamiento. V =V PO >V 1 I P N N + V ubstrato Figura 7.8: El canal se contrae totalmente al alcanzar la tensión de estrangulamiento (pinch off). A partir de esta tensión, el MO se comporta como un fuente de corriente. imilar a como sucedía con los JFET. Las curvas que expresan el comportamiento descrito del MO son las curvas de renador y sus zonas o regiones de funcionamiento; a saber: corte lineal y saturación. I (ma) 4 Lineal V = 5V V = 4V aturación V = 3V 0 Corte 4 6 V =.5V V (V) V < V TH = V Figura 7.9: Curvas de renador de un NMO de acumulación en fuente común i no le aplicamos V al MO, la corriente de drenador que se produce en casi despreciable. En general, sin la V no supera la de umbral, el dispositivo no conduce corriente apreciable.

7 Capítulo 7: Transistores MO 135 V I 0 P - N + N + ubstrato Figura 7.10: i no existe canal no hay circulación de corriente drenador-fuente La polarización adecuada para el MO es, una V mayor que la umbral, para que exista canal creado y, una V mayor que cero para que circule corriente de drenador. La zona lineal del MO no es tan adecuada para trabajar como la del JFET. Por eso se suele utilizar el MO en la zona de corte o la de saturación. En ésta última V > V TH y V > V PO. I R + V >V TH + V - V >V PO - V Figura 7.11: Polarización de un MO de acumulación en la zona de saturación Como se observa en la figura las dos fuentes de tensión del circuito tienen la misma polaridad. Esta ventaja, entre otras, les hizo triunfar frente a los JFET. La ecuación empírica para obtener los valores de I en la zona de saturación, para un MO de canal N de pequeña o media potencia, se rige por ( TH I = K V V ) (7.1) kp W μn εox W A K = ( 1 + λv ) = ( 1 + λv ) mAV L t L V OX La ecuación empírica para obtener los valores de I en la zona de lineal (V < V TH ), para un MO de canal N de pequeña o media potencia, se rige por

8 136 Electrónica analógica: Análisis y diseño V I = K ( V VTH) V (7.) Al obtener dos resultados de estas ecuaciones deberemos tomar aquella que tenga sentido físico. Normalmente, se suele utilizar el MO en la zona de saturación para obtener resultados como amplificador. La zona lineal queda reservada al hecho de utilizarla como una resistencia variable con la tensión. Al dibujar las curvas de transferencia y de drenador de un MO nos quedan a) ispersión de características de puerta b) Curvas de drenador Figura 7.1: Curvas de trasconductancia y de drenador de un NMO de acumulación La trasconductancia de un MO en la zona de saturación viene definida por I 1 g = = K( V V ) = R m TH V ON (7.3) i estuviésemos trabajando con un MOFET de potencia, en la zona de saturación, las ecuaciones para la corriente de drenador para un dispositivo canal N, no son cuadráticas, sino lineales. ( ) I = V V g TH m Que difiere un poco de la ecuación para un MOFET de corriente pequeña-mediana, Ec iseño físico de circuitos MO Un dispositivo MO se fabrica por la superposición de varias capas o layers sobre la superficie base de ilicio. Existen varias técnicas de realización de esta tarea. La más utilizada en la actualidad es la Litografía. Veamos una introducción de esta técnica de fabricación de transistores MO y circuitos integrados en general.

9 Capítulo 7: Transistores MO 137 Proceso de Litografía Material base. Óxido grueso. Vapor de agua u O. Material fotosensible. Luz ultravioleta (El material expuesto se hace soluble) Ataque químico. (Etching). Resultado intermedio (Eliminamos material fotosensible) Punto de partida. Óxido fino. eposición de Polisilicio. Preparación zonas semiconductoras. Iones semiconductores (Implantación iónica o Crecimiento epitaxial) emiconductores renador y Fuente. Óxido grueso (Capa de preparación) Preparación de terminales metálicos. Metalización. Aluminio vaporizado.

10 138 Electrónica analógica: Análisis y diseño Figura 7.13: Vista al microscopio de parte de un circuito integrado Figura 7.14: ecciones de un transistor MO de enriquecimiento y de un transistor bipolar tipo NPN Como se observa en presente figura, la facilidad de fabricación de un MO es mucho mayor que la compleja fabricación de un BJT. Esta forma de fabricación de los MO pueden generar componentes indeseados o parásitos del procedimiento en sí mismo. Los más importantes son el diodo en antiparalelo renador-fuente y los tres efectos capacitivos entre los terminales del transistor. A saber: iodo parásito ebido al proceso de fabricación de los MO de enriquecimiento, entre los terminales de drenador y fuente aparece un diodo indeseado. En realidad el diodo aparece entre renador y ubstrato pero, normalmente el ubstrato se une al terminal de Fuente. Figura 7.15: iodo en antiparalelo en un MO de enriquecimiento

11 Capítulo 7: Transistores MO 139 Este diodo, a pesar de ser un subproducto de la fabricación del MO no es perturbador de su funcionamiento, sino todo lo contrario. Ya que, ante una carga no resistiva, el citado diodo nos mejora el camino de descarga del efecto inductivo o capacitivo de la misma. Capacidades parásitas Figura 7.16: istribución de capacidades en un NMO de enriquecimiento El transistor MO se ve afectado por efectos capacitivos entre sus tres terminales, al igual que sucede en el BJT en menor cuantía. Los valores de estas capacidades se denominan de igual forma que en los JFET, es decir, C y C. Por último, existe una capacidad asociada al canal, C. Como se aprecia en la figura precedente, estos efectos capacitivos se deben al proceso de fabricación y son insoslayables. Los fabricantes suelen medir tres capacidades diferentes a las que acabamos de definir, que son, la capacidad de entrada con la salida en cortocircuito para corriente alterna, C iss o capacidad de entrada; la capacidad de salida con la entrada en corto para corriente alterna, C oss o capacidad de salida y por último, la capacidad inversa de transferencia o C rss. Los valores típicos de estas capacidades suelen estar entre 15pF y 180pF medidas a 1MHz. Figura 7.17: iodo en antiparalelo y efectos capacitivos en un MO de enriquecimiento

12 140 Electrónica analógica: Análisis y diseño e puede deducir fácilmente la relación entre las capacidades existentes entre terminales y las capacidades ofrecidas por los fabricantes. Estas relaciones son C = C R C = C I - C R C = C O - C R Este fenómeno capacitivo del NMO puede influir en las características de la tensión de puerta del transistor. Los valores C y C pueden afectar negativamente al comportamiento en conmutación del MO. us consecuencias más efectivas son: uperar el valor máximo que pueda soportar el óxido de separación de puerta. Provocando su perforación y estropeando el dispositivo sin remisión. Hacer que, incluso estando el transistor cortado, éste entre en conducción. Ante la aplicación de disparos de puerta del MO con flancos de subida y bajada importantes, se puede producir lo siguiente, ver Figura 7.17: Flanco de subida. i el valor de tensión aplicado a la puerta supera el valor de la tensión umbral, el MO entrará en conducción. Esto bajará la tensión V, con lo que el efecto se compensará, cortándose el funcionamiento del transistor. El único inconveniente es la pérdida disipativa durante el intervalo de conducción. Flanco de bajada. El valor de tensión aplicado no provocará la conducción del MO, pero si su valor es excesivo, puede provocar la perforación del óxido aislante de la puerta del transistor, produciendo su destrucción. En ambos casos es determinante la resistencia de la fuente que excita la puerta del transistor MO, R ATE, cuanto menor sea ésta, menos se notarán los efectos citados. Ya que, ante una resistencia baja, la carga almacenada en los condensadores tendrá un camino fácil de descarga. e deberá tener especial cuidado en la posible existencia de cargas inductivas parásitas en la puerta. Esta circunstancia dará una impedancia equivalente muy alta ante cambios bruscos de la señal de excitación de puerta. Hoja de características del IRF510 Tabla 7.: atos constructivos de un NMO IRF510

13 Capítulo 7: Transistores MO 141 Tabla 7.3: atos absolutos máximos de un NMO IRF510. Acumulación Tabla 7.4: atos eléctricos de un NMO IRF510. Acumulación 7.5 Polarización de los MO de acumulación Polarización por divisor de tensión con MO de acumulación Para mejorar la dispersión de características de los MO, se puede utilizar la polarización por divisor de tensión, también llamada de cuatro resistencias.

14 14 Electrónica analógica: Análisis y diseño Figura 7.18: Polarización por división de tensión de un NMO de acumulación Para calcular esta polarización, seguimos con el procedimiento habitual, es decir, calculamos la tensión puerta-fuente y posteriormente, la corriente de drenador. Por tanto, la tensión V valdrá Obteniendo V y V como V = V V (7.4) R V = V CC R R 1+ V = I R con lo cual, V R V = VCC ( I R ) (7.5) R1+ R El valor de V es una constante, con lo cual se simplifica el cálculo de la corriente de drenador. Ec 7.1. A partir de aquí, continuando con el procedimiento de cálculo, obtendremos los valores de I. ólo uno de ellos tendrá sentido físico. Es posible que debamos seguir calculando con los dos valores obtenidos de I hasta encontrar algún dato que nos indique cuál de los dos valores carece de sentido. 1 V R V R I R I + R V + V CC CC TH TH K R1+ R R1+ R =0 (7.6) Con este dato de I podremos retomar el cálculo de la ecuación 7.5. El valor de la tensión de pinch-off se obtiene de forma similar a los JFET, es decir VPO = V VT H (7.7)

15 Capítulo 7: Transistores MO 143 El valor de la tensión umbral de conducción, V TH, del MO es un dato del fabricante. Para la obtención de la tensión drenador-fuente del punto de trabajo, operaremos con la malla del drenador del circuito, quedando ( ) V = VCC I R + R (7.8) Los puntos de corte con los ejes y la recta de carga del circuito, los obtendremos de esta malla de renador, de la siguiente manera ( ) V = V + I R + R Haciendo I = 0 y V = 0, nos quedan CC V V CC máx = CC Máx. R + R I = V (7.9) La situación gráfica de estos valores sobre las curvas de renador y trasconductancia quedarían como se muestra en las siguientes figuras (Nótese que el dato de I en los MO de acumulación no posee ni el sentido ni la relevancia que tenía en los JFET). Figura 7.19: Curva de renador del NMO de acumulación Figura 7.0: Curva de trasconductancia del NMO de acumulación

16 144 Electrónica analógica: Análisis y diseño Fuente de corriente con MO de acumulación Esta disposición es muy similar, en su disposición, a la estudiada anteriormente, salvo la eliminación de la resistencia de fuente. Con este circuito, mantenemos el valor de V constante. Con lo cual, variando el valor de la resistencia de carga, sólo modificaremos la tensión de caída en R Load y la tensión V. El único cuidado que deberemos llevar será mantener la V por encima de la tensión de pinch-off del NMO. urante todo este intervalo, el circuito estará trabajando en la zona de saturación y, obtendremos la función de fuente de corriente constante deseada. Figura 7.1: Fuente de corriente mediante un NMO de acumulación Para calcular esta polarización, continuamos con el procedimiento habitual, es decir, calculamos la tensión puerta-fuente y posteriormente, la corriente de drenador. Por tanto, la tensión V valdrá V = V V V R = V CC R + R 1 V = 0 con lo cual, V R V = V CC R R 1+ (7.10) En esta polarización, el valor de V es una constante, con lo cual se simplifica en gran medida el cálculo de la corriente de drenador. Ec 7.1. V R CC I = K VTH R1+ R (7.11) Como se observa, en esta ocasión sólo aparece un valor posible de I.

17 Capítulo 7: Transistores MO 145 El valor de la tensión de pinch-off se obtiene mediante la ecuación VPO = V VT H (7.1) El valor de la tensión umbral de conducción, V TH, del MO, como se ha visto anteriormente, es un dato del fabricante del MO. Para la obtención de la tensión drenador-fuente del punto de trabajo, operaremos con la malla del drenador del circuito, quedando ( ) V = V I R (7.13) CC Load Los puntos de corte con los ejes y la recta de carga del circuito, los obtendremos de la malla de drenador de la siguiente manera ( ) V = V + I R Haciendo I = 0 y V = 0, nos quedan V CC Load CC máx = VCC Máx. RLoad I V = (7.14) Por otro lado, si deseamos averiguar el máximo valor de la resistencia de carga que podremos colocar en el circuito, deberíamos tener en cuenta que el NMO tendrá que estar trabajando siempre en la zona de saturación. Por tanto, operando con la malla de drenador, nos queda R Load V V = (7.15) I CC PO ( máx) Los valores de R Load estarán entre 0Ω (cero) y el valor de la ecuación precedente. i esto parece extraño, téngase en cuenta que la corriente de drenador se fija mediante V y V TH. Para nuestro caso, V es un dato obtenido con la rama de puerta, ajena a las circunstancias de drenador y V TH es un dato de fabricante, al igual que el valor de K, ajenas igualmente a lo que suceda en la malla de drenador. 7.6 El MO de eplexión. Constitución y funcionamiento Como se comentó al principio del presente tema, los transistores MO se clasifican en dos grandes familias, los de Acumulación y los que nos ocupan ahora, los de eplexión. Las diferencias entre estas dos familias es apreciable desde muchos puntos de vista, el más llamativo es a nivel de funcionamiento. Incluso a nivel de fabricación, es un dispositivo que, al igual que los transistores JFET, cuenta con un canal entre los terminales de drenador y

18 146 Electrónica analógica: Análisis y diseño fuente, sin ningún tipo de aplicación de tensión entre los terminales. En el apartado constructivo, dejando a un lado la existencia del citado canal entre drenador y fuente, se parece bastante a un MO de acumulación. Figura 7.. Metal P - N + N- N + Óxido emiconductor ubstrato Canal Figura 7.: Estructura de fabricación de transistor MO de eplexión i tuviésemos que enumerar las características más llamativas de un MO de deplexión frente a uno de acumulación, podríamos decir: Posee un canal entre renador y Fuente sin aplicación de tensión V. La tensión umbral de funcionamiento, V, es negativa para I nula. El consumo de entrada, I, es nulo, al estar la puerta aislada. Podremos establecer una circulación de corriente entre drenador y fuente sin aplicar tensión positiva en la puerta. Vistas estas características, cabría pensar que nos estamos refiriendo a un dispositivo JFET más que a un MO. Y hay un poco de verdad en esto. Al igual que hicimos con los BJT y con los JFET, vamos aplicar tensiones entre los diferentes terminales del MO para observar lo que sucede y, poder dibujar sus curvas características V = V V = - V 1 P - N N N + - V 1 P - V V N + N N ubstrato - ubstrato - a) Modo acumulación b) Modo deplexión Figura 7.3: Comportamiento del canal de un NMO de deplexión en función del signo de la tensión aplicada Como se observa en la figura precedente, el MO de eplexión posee, en función de la polaridad de la tensión que estemos aplicando, dos modos de trabajo. El modo de acumulación, es decir, si aplicamos tensión positiva a V, el canal se refuerza con un mayor número de electrones procedentes del substrato, pudiendo conducir una mayor corriente. Figura 7.3a. Por otro lado, el modo de deplexión, figura 7.3b, el canal tiende a anularse y conducir menos cuando aplicamos una tensión negativa entre V.

19 Capítulo 7: Transistores MO 147 e acuerdo con este comportamiento, podríamos decir que, en modo acumulación, el MO de deplexión se comporta como un MO de acumulación y, en modo deplexión el MO de deplexión se comporta como un JFET. i aplicamos ahora tensión entre drenador y fuente, manteniendo las tensiones entre V, se obtiene lo siguiente V I V I P N + N N V 1 P - N N N - V 1 ubstrato + ubstrato + a) Modo acumulación b) Modo deplexión Figura 7.4: Comportamiento del canal de un NMO de deplexión al aplicar V y V Para el modo acumulación: i aplicamos V y disminuimos V, el canal se debilita, como sucedía con los MO de acumulación. Para el modo deplexión: i aplicamos V y aumentamos V, el canal se debilita, como sucedía con los JFET canal N. i conocido este comportamiento, tratásemos de dibujar las curvas que representan el funcionamiento de este MO, obtendríamos para las gráficas de trasconductancia y de drenador lo siguiente. I (ma) eplexión V (Off) I (ma) Acumulación I 4 I V = 1V V = 0.5V V = 0V V = - 0.5V V = - 1V Modo acumulación Modo deplexión -V (V) 0 + V (V) V (Off) < -1.5V V (V) a) Trasconductancia b) renador Figura 7.5: Curvas de trasconductancia y drenador de un NMO de deplexión

20 148 Electrónica analógica: Análisis y diseño Afectación de la temperatura a los MO de deplexión Figura 7.6: Curvas de trasconductancia obtenida por el simulador de un NMO de deplexión (B19) En la figura precedente, para este MO de deplexión, se observa el efecto de temperatura en la curva de trasconductancia; y la anulación de este comportamiento para una tensión V = -0.75V. Este hecho ya se comentó ampliamente en los JFET, apartado 6.6. Figura 7.7: Curvas del drenador obtenida por el simulador de un NMO de deplexión (B19) El valor de I en el caso de los MO de deplexión no significa exactamente lo mismo que en los JFET. Como se aprecia, no es la máxima corriente que puede controlar el MO. No obstante, para el caso de una fuente de corriente, podrá utilizarse esta cantidad como I constante, al igual como sucedía en la resolución de supuestos con JFET.

21 Capítulo 7: Transistores MO Polarización de los MO de deplexión ebido al comportamiento dual de este tipo de transistores MO (modo acumulación y modo deplexión), los circuitos se resolverán de dos formas diferentes. i el MO está trabajando con una V < 0V, se resolverá como si fuese un JFET, con las mismas ecuaciones que se utilizan para estos dispositivos. i por contra, la V > 0V, se resolverá como si fuese un MO de acumulación, utilizando las ecuaciones vistas para ello en apartados anteriores. Fuente de corriente con MO de deplexión egún lo comentado en el párrafo anterior, al ser V = 0V mantendremos el valor de la corriente de drenador I = I. Con lo cual, variando el valor de la resistencia de carga, sólo modificaremos la tensión de caída en R Load y la tensión V. Figura 7.8: Fuente de corriente mediante un NMO de deplexión Para calcular esta polarización, continuamos con el procedimiento habitual, es decir, calculamos la tensión puerta-fuente y posteriormente, la corriente de drenador. Por tanto, la tensión V valdrá V = V V = 0V Al resolver este ejercicio como si fuese un JFET, deberemos utilizar las ecuaciones vistas para el JFET canal N en el tema anterior. I = I 1 V = I V ( OFF ) (7.16) Como se observa, en este circuito sólo aparece un valor posible de I. El valor de la tensión de pinch-off se obtiene mediante la ecuación del JFET, siendo V nula. V = V P V = V P

22 150 Electrónica analógica: Análisis y diseño Que corresponde con el dato suministrado por el fabricante del MO, al igual que I. Para la obtención de la tensión drenador-fuente del punto de trabajo, operaremos con la malla del drenador del circuito, quedando ( ) V = V I R (7.17) CC Load Los puntos de corte con los ejes y la recta de carga del circuito, los obtendremos de la malla de drenador de la siguiente manera ( ) V = V + I R Haciendo I = 0 y V = 0, nos quedan CC Load V máx = V CC I V CC Máx. = (7.18) RLoad Por otro lado, si deseamos averiguar el rango de valores de la resistencia de carga que podremos colocar en el circuito, deberíamos tener en cuenta que el NMO tendrá que estar trabajando siempre en la zona de saturación, es decir, V V P. Por tanto, operando con la malla de drenador, nos queda R R Load Load V V = (7.19) I CC P ( máx) V V = (7.0) I CC máx ( mín) Como se aprecia en esta ecuación, el valor de R Load mínimo puede ser cero, ya que, el máximo valor de V puede ser V CC. I (ma) I máx. I = I Recta de carga V = 0V 0 V (V) V P Posibles valores de V V máx = V CC Figura 7.9: Curva de drenador de la fuente de corriente con NMO de deplexión

23 Capítulo 7: Transistores MO Ejercicios tipo Calcular, para el circuito de polarización por división de tensión de la figura (NMO de acumulación), el punto de trabajo y la recta de carga del circuito i fijamos los siguientes valores para el circuito de la figura: R 1 =.MΩ V CC = 4V R = 1MΩ V TH =.8V R = 1KΩ R = 0Ω K = 0.5mAV - Aplicando el procedimiento de cálculo seguido hasta ahora, obtendremos los valores de V y V. Utilizando la ecuación 7.5 1M Ω V = 4 ( I R ) = 7.5 ( 0 I 3.M Ω Calcularemos ahora la corriente de drenador, para ello, utilizaremos la ecuación 7.6 ) 1 VCC R VCC R I R I + R VTH + VTH =0 K R1+ R R1+ R I 48.4 I = 0 I 1 = 5.83mA I = 78.mA Los valores obtenidos parecen válidos. Esto nos obligará a arrastrar el cálculo con los dos valores hasta que uno de los datos que obtengamos no tenga sentido físico. V 1 = = 6.V V = = -9.7V

24 15 Electrónica analógica: Análisis y diseño El valor de la tensión puerta-fuente de un NMO no puede ser negativa, luego el valor de I no tiene sentido físico. El valor de la tensión de pinch-off, lo obtenemos de la ecuación 7.7 VPO = V VTH = = 4.17V Para la obtención de la tensión drenador-fuente del punto de trabajo, operaremos con la malla del drenador del circuito, quedando, Ec. 7.8 ( ) V = VCC I 1 R + R = 4.9 = 1.07V Calculando los puntos de la recta de carga, Ec. 7.9 V = 4V máx I V 4 CC Máx. = = = R + RL mA I (ma) I =.4 -V (V) 0 V TH =.8 V = 6.97 V (V) I (ma) I máx = 19.6 Recta de carga I =.4 V = 6.97V Punto Q 0 V (V) V PO = 4.17 V = 1.07 V CC = 4

25 Capítulo 7: Transistores MO Calcular, para el circuito de fuente de corriente de la figura (NMO de deplexión), el valor máximo de la resistencia de carga y la curva de drenador con sus puntos característicos i fijamos los siguientes valores para el circuito de la figura: V CC = 18V V P = 3V I = 0mA Como se observa claramente en la figura, el valor de V = 0V. Aplicando la ecuación 7.16, nos quedará el valor de la corriente de drenador. 0 I = I 1 = I = 0mA VPO El valor de la tensión de entrada en saturación o punto de pinch-off se obtiene mediante la ecuación V = V P V = V P = 3V El valor máximo de la resistencia de carga corresponderá con el mínimo valor de V, es decir, la tensión de pinch-off del NMO de deplexión VCC VP 18 3 RLoad ( máx) = = = 750Ω I 0.0 Los puntos de corte con los ejes y la recta de carga del circuito, los obtendremos de la malla de drenador del circuito, aplicando la ecuación Vmáx = 18V IMáx. = = 4mA 750

26 154 Electrónica analógica: Análisis y diseño La curva de drenador se muestra en la siguiente figura. Nótese que, al ser una fuente de corriente constante, la recta de carga coincide con la curva del NMO, teniendo como valores posibles de V PO a V CC. I (ma) I máx = 4 I = I = 0 Recta de carga V = 0V 0 3 Posibles valores de V V máx = 18 V (V) 7.9 Problemas propuestos Calcular, para el circuito de la figura, el punto de trabajo del NMO. R 1 =.MΩ V CC = 0V R = 1MΩ V TH = 3V R = 1KΩ R = 150Ω K = 0.5mAV - (V, I) = (15.1V, 3.7mA) 500I ² -.97I = Calcular, para el circuito de la figura, el valor de V. R 1 = MΩ V CC = 1V R = 1MΩ V TH =.5V R Load = 0Ω K = 0.4mAV - V = 19.V (aturación)

27 Capítulo 7: Transistores MO Calcular, para el circuito de la figura, la curva de drenador del PMO con sus puntos característicos. R 1 = MΩ V CC = 6V R = 1.1MΩ V TH = -3V R = 1K5Ω R = 180Ω K = 0.51mAV Calcular, para el circuito de la figura, el valor de V. R Load = 50Ω V P =.5V V CC = 15V I = 5mA

28 156 Electrónica analógica: Análisis y diseño Calcular, para el circuito PMO de la figura, la curva de drenador con sus puntos característicos. R Load = 33Ω V P = -.9V V CC = 19V I = -6mA 7.10 Bibliografía 1. Hambley, Allan R., Electrónica, Prentice-Hall, 000, IBN: Fiore J.M., Amplificadores operacionales y Circuitos integrados lineales, Thomson, 00, IBN: Irwin, J. avid, Análisis básico de circuitos en ingeniería, Prentice Hall Hispanoamericana, 1997, IBN: Humphries J.T. y heets L.P., Electrónica industrial: ispositivos, Máquinas y istemas de potencia industrial, Paraninfo, 1993, IBN: J. ebastián Zúñiga, Introducción a la Electrónica de dispositivos: Transistores MO, pto. de Ingeniería Eléctrica, Electrónica, de Computadores y de istemas, Universidad de Oviedo, J. M. Mendías Cuadros y H. Mecha López, iseño de circuitos integrados, pto. de Arquitectura de computadores y Automática, Universidad Complutense de Madrid, J. T. Clemens, ilicon microelectronics technology, Bell Labs Technical Journal. Autumn 1997, Lucent Technologies Inc., Kenneth, Laker R., MO Transistor Theory: EE560 Part 1, University of Pennsylvania, 003.